JP7551611B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明の一態様は、トランジスタ、半導体装置、および電子機器に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置の作製方法に関する。また、本発明の一態様は、半導体ウエハ、およびモジュールに関する。

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。また、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。

基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する。）のような電子デバイスに広く応用されている。また、電力用途として電源回路などに応用されている、所謂パワートランジスタなどがある。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。

酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出されている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。

非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている。

Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ４３，ｉｓｓｕｅ １，ｐ．１８３－１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ５３，Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８－１－０４ＥＤ１８－１０

本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、大電力用途向けの半導体装置を提供することを課題の一とする。また、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課題の一つとする。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、特許請求の範囲などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、特許請求の範囲などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様は、基板と、基板上の第１の導電体と、第１の導電体上の第１の金属酸化物と、第１の金属酸化物上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第２の導電体と、第２の導電体上の第２の絶縁体と、第２の導電体の側面、第１の絶縁体の側面、および第２の絶縁体の側面と接する第３の絶縁体と、第２の酸化物上、第２の絶縁体上、および第３の絶縁体上の第２の金属酸化物と、第２の金属酸化物上の第３の導電体と、を有し、第２の導電体は、第２の酸化物と重なる領域を有し、第３の導電体は、第２の金属酸化物と接する領域を有し、第２の金属酸化物は、第２の酸化物と接する領域を有し、第２の酸化物のキャリア濃度は、第１の酸化物のキャリア濃度より低く、第１の金属酸化物のキャリア濃度は、第１の酸化物のキャリア濃度より高く、第２の金属酸化物のキャリア濃度は、第１の酸化物のキャリア濃度より高い、半導体装置である。

また、本発明の一態様は、基板と、基板上の第１の導電体と、第１の導電体上の第１の金属酸化物と、第１の金属酸化物上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第２の金属酸化物と、第２の酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第２の導電体と、第２の金属酸化物上、第１の絶縁体上、および第２の導電体上の第２の絶縁体と、第２の金属酸化物上、および第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第２の酸化物、および第２の金属酸化物は、開口を有し、第１の絶縁体は、開口の側部、および開口の底部に接し、第２の導電体は、第２の酸化物と重なる領域を有し、第３の導電体は、第２の金属酸化物と接する領域を有し、第２の金属酸化物は、第２の酸化物と接する領域を有し、第２の酸化物のキャリア濃度は、第１の酸化物のキャリア濃度より低く、第１の金属酸化物のキャリア濃度は、第１の酸化物のキャリア濃度より高く、第２の金属酸化物のキャリア濃度は、第１の酸化物のキャリア濃度より高い、半導体装置である。

また、上記において、第１の酸化物、および第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含むことが好ましい。

また、上記において、第１の金属酸化物、および第２の金属酸化物は、Ｓｎ、Ｗ、Ｔｉ、またはＳｉのいずれか一、または複数と、Ｉｎと、を含むことが好ましい。

また、本発明の一態様は、基板上に第１の導電体を形成し、第１の導電体上に、第１の金属酸化物を形成し、第１の金属酸化物上に、第１の酸化物を形成し、第１の酸化物上に、第２の酸化物を形成し、第２の酸化物上に、第２の金属酸化物を形成し、リソグラフィー法によって、第２の金属酸化物、および第２の酸化物に開口を形成し、第２の金属酸化物上、および開口に第１の絶縁膜を成膜し、第１の絶縁膜上に第１の導電膜を成膜し、ＣＭＰ法によって、第１の絶縁膜、および第１の導電膜を第２の金属酸化物の表面に達するまで研磨することで、開口の内部に埋め込まれた第１の絶縁体、および第２の導電体を形成し、第２の金属酸化物、第１の絶縁体、および第２の導電体に接する第２の絶縁体を形成し、第２の金属酸化物上、および第２の絶縁体上に第３の導電体を形成する、半導体装置の作製方法である。

上記において、前記第１の導電膜、前記第１の金属酸化物、前記第１の酸化物、および前記第２の酸化物は、複数の処理室を有する装置を用いて、減圧下において連続で成膜することが好ましい。

本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、大電力用途向けの半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、特許請求の範囲などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、特許請求の範囲などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

図１Ａは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。図１Ｂは発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図２Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図２Ｂおよび図２Ｃは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図３Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図３Ｂおよび図３Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図４Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図４Ｂおよび図４Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図５Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図５Ｂおよび図５Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図６Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図６Ｂおよび図６Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図７Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図７Ｂおよび図７Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図８Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図８Ｂおよび図８Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図９Ａは本発明の一態様であるＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図９Ｂは本発明の一態様であるＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルを説明する図である。図９Ｃは本発明の一態様であるＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の極微電子線回折パターンを説明する図である。
図１０は、本発明の一態様の半導体装置を作製するための装置の一例を説明する上面図である。
図１１Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製工程を示すフローチャート図である。図１１Ｂは、本発明の一態様である半導体装置を示した斜視図である。
図１２Ａは半導体装置を用いた電子機器を示した図である。図１２Ｂは半導体装置を用いた電子機器を示した図である。
図１３Ａは、断面観察用サンプルの構成を示す図である。図１３Ｂおよび図１３Ｃは、断面観察用サンプルの制限視野回折パターンを示す図である。
図１４は、断面観察用サンプルの明視野像を示す図である。
図１５Ａは、断面観察用サンプルの制限視野回折パターンを示す図である。図１５Ｂ乃至図１５Ｄは、回折波（００９）のスポットを利用した、金属酸化物膜表面付近の暗視野像を示す図である。
図１６Ａは、断面観察用サンプルの制限視野回折パターンを示す図である。図１６Ｂ乃至図１６Ｄは、回折波（００９）のスポットを利用した、酸化シリコン膜付近の暗視野像を示す図である。
図１７Ａは、断面観察用サンプルの制限視野回折パターンを示す図である。図１７Ｂ乃至図１７Ｄは、回折波（００９）のスポットを利用した、金属酸化物膜表面付近の暗視野像を示す図である。
図１８Ａは、断面観察用サンプルの制限視野回折パターンを示す図である。図１８Ｂ乃至図１８Ｄは、回折波（００９）のスポットを利用した、酸化シリコン膜付近の暗視野像を示す図である。
図１９Ａは、平面観察用サンプルの制限視野回折パターンを示す図である。図１９Ｂ乃至図１９Ｄは、回折波（１００）のスポットを利用した、金属酸化物膜の暗視野像を示す図である。
図２０Ａは、平面観察用サンプルの明視野像を示す図である。図２０Ｂは、平面観察用サンプルの暗視野像を示す図である。図２０Ｃおよび図２０Ｄは、平面観察用サンプルの高分解能像を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするため、図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。

また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。

また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。

また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。

例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体の欠陥準位密度が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。なお、水も不純物として機能する場合がある。また、例えば不純物の混入によって、酸化物半導体に酸素欠損（Ｖ_Ｏ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）が形成される場合がある。

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。

また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が－１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、－５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「概略平行」とは、二つの直線が－３０度以上３０度以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０度以上１００度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５度以上９５度以下の場合も含まれる。また、「概略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度以下の角度で配置されている状態をいう。

本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む。）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳトランジスタと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。

また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりのドレイン電流が、室温において１×１０^－２０Ａ以下、８５℃において１×１０^－１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０^－１６Ａ以下であることをいう。

（実施の形態１）
本実施の形態では、図１乃至図８を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例、およびその作製方法について説明する。

＜半導体装置の構成例１＞
図１Ａを用いて、トランジスタ２００を有する半導体装置の構成を説明する。図１Ａは、トランジスタ２００を有する半導体装置の断面図である。

図１Ａに示すように、本発明の一態様のトランジスタ２００を有する半導体装置は、基板２１０と、基板２１０上の導電体２４２と、導電体２４２上の金属酸化物２４３と、金属酸化物２４３上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０上の導電体２６０と、導電体２６０上の絶縁体２７２と、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７２の側面と接する絶縁体２７１と、酸化物２３０ｂ、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および導電体２６０を覆う金属酸化物２４５と、金属酸化物２４５上の導電体２４６と、を有する。導電体２６０は、酸化物２３０ｂと重なる領域を有し、導電体２４６は、金属酸化物２４５と接する領域を有し、金属酸化物２４５は、酸化物２３０ｂと接する領域を有する。

なお、酸化物２３０ｂのキャリア濃度は、酸化物２３０ａのキャリア濃度より低いことが好ましい。また、金属酸化物２４３のキャリア濃度は、酸化物２３０ａのキャリア濃度より高く、金属酸化物２４５のキャリア濃度は、酸化物２３０ａのキャリア濃度よりも高いことが好ましい。

ここで、導電体２６０は、トランジスタ２００のゲートとして機能し、基板２１０および導電体２４２はドレインとして機能する。また、導電体２４６は、ソースとして機能する。また、絶縁体２５０はゲート絶縁体として機能する。また、酸化物２３０ａの一部、および酸化物２３０ｂの一部はチャネル形成領域となる。つまり、トランジスタ２００は、縦型チャネルのトランジスタである。

トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに、半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。なお、本明細書では、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ｂと、をまとめて酸化物２３０と記載する。

また、半導体として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。

例えば、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂとして、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化錫、酸化銅、ニッケル酸化物、ＲｂＣｄ酸化物を用いてもよい。

また、導電体２４２と接する金属酸化物２４３、および導電体２４６と接する金属酸化物２４５は、導電性酸化物を用いることが好ましい。特に、キャリアの生成が酸素欠損のみに依存せず、置換型の不純物ドナーによってキャリアを生成する導電性酸化物であることが好ましい。これにより、金属酸化物２４３中、および金属酸化物２４５中の酸素欠損が過剰酸素によって修復されても、不純物ドナーによるキャリアが存在するため、金属酸化物２４３中、および金属酸化物２４５中のキャリア密度の低下を抑制することができる。従って、導電性酸化物は、酸素欠損が少ない状態でもキャリアが生成されると考えられる。このように金属酸化物２４３、および導電体２４５は、高いキャリア濃度を有するので、導電体２４２と金属酸化物２４３とはオーミック接触とすることができる。同様に、導電体２４６と金属酸化物２４５とはオーミック接触とすることができる。

金属酸化物２４３、および金属酸化物２４５としては、錫、タングステン、チタン、またはシリコンのいずれか一、または複数と、インジウムを含むことが好ましい。たとえば、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。

または、ガリウムを添加した酸化亜鉛、ニオブを添加した酸化チタン、酸化ルテニウムを用いてもよい。

図１Ａに示すように、トランジスタ２００は、縦型チャネルのトランジスタである。まず、ゲートとして機能する導電体２６０に適切なプラス電位を印加することで、ゲート絶縁体として機能する絶縁体２５０を介して酸化物２３０ｂにチャネルが形成される。次に、ソースとして機能する導電体２４６からキャリアが金属酸化物２４５、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域、酸化物２３０ａのチャネル形成領域、および金属酸化物２４３を通って、ドレインとして機能する導電体２４２、および基板２１０に流れる。つまり、トランジスタ２００を構成する各膜の底面を基準とすると、底面の垂直方向にキャリアが流れる。つまり、縦方向にチャネルが形成される。本実施の形態では、トランジスタ２００はｎ型トランジスタの構成なので、キャリアは電子である。

ここで、導電体２４２と金属酸化物２４３とはオーミック接触であり、導電体２４６と金属酸化物２４５とはオーミック接触であるので、電子の流れる経路において、エネルギー障壁が小さいので、大きな電流が得られる。さらに、トランジスタ２００をこのような構成とすることで、電子の流れる経路、すなわち電流経路の断面積は、プレーナ型のトランジスタと比較すると、広くすることができるので、大きなオン電流が得られる。従って、トランジスタ２００を有する半導体装置は、大電力用途向けの半導体装置、例えばパワートランジスタを有する半導体装置に適している。

また、トランジスタ２００は、主に薄膜を積層することでトランジスタを形成することができるので、リソグラフィー工程を最小限とすることができる。従って、低い生産コストでトランジスタ２００を有する半導体装置を作製できる。

また、トランジスタ２００の作製工程中において、酸化物２３０ｂの表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上６００℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０に酸素を供給して、酸素欠損（Ｖ_Ｏ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

なお、酸化物２３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「Ｖ_Ｏ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物２３０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ_２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物２３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶ_ＯＨが形成されるのを抑制することができる。

なお、導電体２４２、金属酸化物２４３、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの成膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、導電体２４２上、金属酸化物２４３上、酸化物２３０ａ上、酸化物２３０ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、導電体２４２と金属酸化物２４３との界面および界面近傍、金属酸化物２４３と酸化物２３０ａとの界面および界面近傍、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面および界面近傍をそれぞれ、清浄に保つことができるので好ましい。連続成膜することができる装置の説明は後述する。

導電体２４２および導電体２４６としては、例えば、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、タンタルおよびアルミニウムを含む窒化物、チタンおよびアルミニウムを含む窒化物などを用いることが好ましい。本発明の一態様においては、タンタルを含む窒化物が特に好ましい。また、例えば、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いてもよい。これらの材料は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。

絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｂの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。

絶縁体２５０は、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料、別言すると、過剰酸素領域を有する絶縁体材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素分子の脱離量が１．０×１０^１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０×１０^１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１０^１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上、または３．０×１０^２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上である酸化膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｂの上面に接して設けることにより、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給し、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の酸素欠損を低減することができる。したがって、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させたトランジスタを提供することができる。また、絶縁体２５０中の水、水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。

なお、図１Ａでは、絶縁体２５０を単層で図示したが、２層以上の積層構造としてもよい。絶縁体２５０を２層の積層構造とする場合、絶縁体２５０の下層は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成し、絶縁体２５０の上層は、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２５０の下層に含まれる酸素が、導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の下層に含まれる酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。

なお、絶縁体２５０の下層に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体２５０の上層は、比誘電率が高いｈｉｇｈ－ｋ材料である絶縁性材料を用いてもよい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０の下層と絶縁体２５０の上層との積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。

絶縁体２５０の上層として、具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、マグネシウムなどから選ばれた一種、もしくは二種以上が含まれた金属酸化物、または酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることが好ましい。

導電体２６０は、トランジスタ２００のゲートとして機能する。なお、図１Ａでは、導電体２６０は、単層構造として示しているが、２層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。

導電体２６０を積層構造とした場合、導電体２６０の下層は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。

また、導電体２６０の下層が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０の上層が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。

また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０の上層は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０の上層は積層構造としてもよく、例えば、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。

絶縁体２７１は、導電体２６０の側面に接するように配置され、絶縁体２７２は、導電体２６０の上面に接するように配置されている。従って、絶縁体２７１、および絶縁体２７２は、少なくとも酸素に対するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２７１、および絶縁体２７２は、絶縁体２５０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体２７１、および絶縁体２７２としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。

＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。

＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムを材料とした半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。半導体基板に導電体が設けられた基板、導電体基板に半導体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。

＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。

例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。

また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。

また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。

また、金属酸化物を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。

また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。

＜＜導電体＞＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。

なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。

特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。

酸化物２３０として、半導体として機能する金属酸化物（酸化物半導体）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。

＜金属酸化物＞
本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）について説明する。

金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウム、コバルトなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。

＜結晶構造の分類＞
まず、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図９Ａを用いて説明を行う。図９Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。

図９Ａに示すように、酸化物半導体は、大きく分けて「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ（結晶性）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」と、に分類される。また、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ」の中には、ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓが含まれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の中には、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ－ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、ｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、及びＣＡＣ（ｃｌｏｕｄ－ａｌｉｇｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）が含まれる（ｅｘｃｌｕｄｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌ）。なお、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の分類には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓは除かれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌ」の中には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌが含まれる。

なお、図９Ａに示す太枠内の構造は、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」との間の中間状態であり、新しい境界領域（Ｎｅｗ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈａｓｅ）に属する構造である。すなわち、当該構造は、エネルギー的に不安定な「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」や、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」とは全く異なる構造と言い換えることができる。

なお、膜または基板の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）スペクトルを用いて評価することができる。ここで、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」に分類されるＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＧＩＸＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ－Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ＸＲＤ）測定で得られるＸＲＤスペクトルを図９Ｂに示す。なお、ＧＩＸＤ法は、薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ－Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。以降、図９Ｂに示すＧＩＸＤ測定で得られるＸＲＤスペクトルを、単にＸＲＤスペクトルと記す。なお、図９Ｂに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、図９Ｂに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の厚さは、５００ｎｍである。

図９Ｂに示すように、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、明確な結晶性を示すピークが検出される。具体的には、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、２θ＝３１°近傍に、ｃ軸配向を示すピークが検出される。なお、図９Ｂに示すように、２θ＝３１°近傍のピークは、ピーク強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が検出された角度を軸に左右非対称である。

また、膜または基板の結晶構造は、極微電子線回折法（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって観察される回折パターン（極微電子線回折パターンともいう。）にて評価することができる。ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の回折パターンを、図９Ｃに示す。図９Ｃは、電子線を基板に対して平行に入射するＮＢＥＤによって観察される回折パターンである。なお、図９Ｃに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、極微電子線回折法では、プローブ径を１ｎｍとして電子線回折が行われる。

図９Ｃに示すように、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の回折パターンでは、ｃ軸配向を示す複数のスポットが観察される。

＜＜酸化物半導体の構造＞＞
なお、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、図９Ａとは異なる分類となる場合がある。例えば、酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、上述のＣＡＡＣ－ＯＳ、及びｎｃ－ＯＳがある。また、非単結晶酸化物半導体には、多結晶酸化物半導体、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体、などが含まれる。

ここで、上述のＣＡＡＣ－ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、及びａ－ｌｉｋｅ ＯＳの詳細について、説明を行う。

［ＣＡＡＣ－ＯＳ］
ＣＡＡＣ－ＯＳは、複数の結晶領域を有し、当該複数の結晶領域はｃ軸が特定の方向に配向している酸化物半導体である。なお、特定の方向とは、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の厚さ方向、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の被形成面の法線方向、またはＣＡＡＣ－ＯＳ膜の表面の法線方向である。また、結晶領域とは、原子配列に周期性を有する領域である。なお、原子配列を格子配列とみなすと、結晶領域とは、格子配列の揃った領域でもある。さらに、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ａ－ｂ面方向において複数の結晶領域が連結する領域を有し、当該領域は歪みを有する場合がある。なお、歪みとは、複数の結晶領域が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。つまり、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向し、ａ－ｂ面方向には明らかな配向をしていない酸化物半導体である。

なお、上記複数の結晶領域のそれぞれは、１つまたは複数の微小な結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶）で構成される。結晶領域が１つの微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の最大径は１０ｎｍ未満となる。また、結晶領域が多数の微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の大きさは、数十ｎｍ程度となる場合がある。

また、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、チタンなどから選ばれた一種、または複数種）において、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム（Ｉｎ）、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。よって、（Ｍ，Ｚｎ）層にはインジウムが含まれる場合がある。また、Ｉｎ層には元素Ｍが含まれる場合がある。なお、Ｉｎ層にはＺｎが含まれる場合もある。当該層状構造は、例えば、高分解能ＴＥＭ像において、格子像として観察される。

ＣＡＡＣ－ＯＳ膜に対し、例えば、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定では、ｃ軸配向を示すピークが２θ＝３１°またはその近傍に検出される。なお、ｃ軸配向を示すピークの位置（２θの値）は、ＣＡＡＣ－ＯＳを構成する金属元素の種類、組成などにより変動する場合がある。

また、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の電子線回折パターンにおいて、複数の輝点（スポット）が観測される。なお、あるスポットと別のスポットとは、試料を透過した入射電子線のスポット（ダイレクトスポットともいう。）を対称中心として、点対称の位置に観測される。

上記特定の方向から結晶領域を観察した場合、当該結晶領域内の格子配列は、六方格子を基本とするが、単位格子は正六角形とは限らず、非正六角形である場合がある。また、上記歪みにおいて、五角形、七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリー）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属原子が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。

なお、明確な結晶粒界が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトランジスタのオン電流の低下、電界効果移動度の低下などを引き起こす可能性が高い。よって、明確な結晶粒界が確認されないＣＡＡＣ－ＯＳは、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳを構成するには、Ｚｎを有する構成が好ましい。例えば、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、及びＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。

ＣＡＡＣ－ＯＳは、結晶性が高く、明確な結晶粒界が確認されない酸化物半導体である。よって、ＣＡＡＣ－ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、ＯＳトランジスタにＣＡＡＣ－ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。

［ｎｃ－ＯＳ］
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。別言すると、ｎｃ－ＯＳは、微小な結晶を有する。なお、当該微小な結晶の大きさは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることから、当該微小な結晶をナノ結晶ともいう。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定では、結晶性を示すピークが検出されない。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ナノ結晶よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ナノ結晶の大きさと近いかナノ結晶より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、ダイレクトスポットを中心とするリング状の領域内に複数のスポットが観測される電子線回折パターンが取得される場合がある。

［ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ］
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。また、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、膜中の水素濃度が高い。

＜＜酸化物半導体の構成＞＞
次に、上述のＣＡＣ－ＯＳの詳細について、説明を行う。なお、ＣＡＣ－ＯＳは材料構成に関する。

［ＣＡＣ－ＯＳ］
ＣＡＣ－ＯＳとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つまたは複数の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。

さらに、ＣＡＣ－ＯＳとは、第１の領域と、第２の領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、当該第１の領域が、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。つまり、ＣＡＣ－ＯＳは、当該第１の領域と、当該第２の領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。

ここで、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳを構成する金属元素に対するＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの原子数比のそれぞれを、［Ｉｎ］、［Ｇａ］、および［Ｚｎ］と表記する。例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳにおいて、第１の領域は、［Ｉｎ］が、ＣＡＣ－ＯＳ膜の組成における［Ｉｎ］よりも大きい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、ＣＡＣ－ＯＳ膜の組成における［Ｇａ］よりも大きい領域である。または、例えば、第１の領域は、［Ｉｎ］が、第２の領域における［Ｉｎ］よりも大きく、且つ、［Ｇａ］が、第２の領域における［Ｇａ］よりも小さい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、第１の領域における［Ｇａ］よりも大きく、且つ、［Ｉｎ］が、第１の領域における［Ｉｎ］よりも小さい領域である。

具体的には、上記第１の領域は、インジウム酸化物、インジウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。また、上記第２の領域は、ガリウム酸化物、ガリウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。つまり、上記第１の領域を、Ｉｎを主成分とする領域と言い換えることができる。また、上記第２の領域を、Ｇａを主成分とする領域と言い換えることができる。

なお、上記第１の領域と、上記第２の領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。

例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳでは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、Ｉｎを主成分とする領域（第１の領域）と、Ｇａを主成分とする領域（第２の領域）とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。

ＣＡＣ－ＯＳをトランジスタに用いる場合、第１の領域に起因する導電性と、第２の領域に起因する絶縁性とが、相補的に作用することにより、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳに付与することができる。つまり、ＣＡＣ－ＯＳとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。導電性の機能と絶縁性の機能とを分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。よって、ＣＡＣ－ＯＳをトランジスタに用いることで、高いオン電流（Ｉ_ｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および良好なスイッチング動作を実現することができる。

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ＣＡＣ－ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。

＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。

上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。

トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体のキャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^－３以下、好ましくは１×１０^１５ｃｍ^－３以下、さらに好ましくは１×１０^１３ｃｍ^－３以下、より好ましくは１×１０^１１ｃｍ^－３以下、さらに好ましくは１×１０^１０ｃｍ^－３未満であり、１×１０^－９ｃｍ^－３以上である。なお、酸化物半導体膜のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。なお、キャリア濃度の低い酸化物半導体を、高純度真性又は実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ場合がある。

また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。

＜不純物＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。

酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

また、酸化物半導体にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア濃度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。または、酸化物半導体において、窒素が含まれると、トラップ準位が形成される場合がある。この結果、トランジスタの電気特性が不安定となる場合がある。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中の窒素濃度を、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。

また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満にする。

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

＜＜その他の半導体材料＞＞
酸化物２３０に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物２３０として、バンドギャップを有する半導体材料（ゼロギャップ半導体ではない半導体材料）を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料などともいう。）などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。

ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合やイオン結合によって形成される層が、ファンデルワールス力のような、共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、２次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、２次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。

層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第１６族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、１３族カルコゲナイドなどが挙げられる。

酸化物２３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物２３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ_２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ_２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ_２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ_２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ_２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ_２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ_２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ_２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ_２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ_２）などが挙げられる。

＜半導体装置の構成例２＞
以下では、図１Ｂを用いて、図１Ａに示す構成とは異なる、トランジスタ２００を有する半導体装置の構成を説明する。図１Ｂは、トランジスタ２００を有する半導体装置の断面図である。

なお、図１Ｂに示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例１＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については＜半導体装置の構成例１＞で詳細に説明した材料を用いることができる。

図１Ｂに示すように、本発明の一態様のトランジスタ２００を有する半導体装置は、基板２１０と、基板２１０上の導電体２４２と、導電体２４２上の金属酸化物２４３と、金属酸化物２４３上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０上の導電体２６０と、酸化物２３０ｂ上の金属酸化物２４５と、金属酸化物２４５上の絶縁体２７２と、金属酸化物２４５上、および絶縁体２７２上の導電体２４６と、を有する。また、酸化物２３０ｂおよび金属酸化物２４５は、開口を有し、開口の側部、および底部に接するように絶縁体２５０が配置される。また、導電体２６０は、導電体２６０の底部および導電体２６０の側面と絶縁体２５０とが接するように配置される。また、導電体２６０は、酸化物２３０ｂと重なる領域を有し、導電体２４６は、金属酸化物２４５と接する領域を有し、金属酸化物２４５は、酸化物２３０ｂと接する領域を有する。

なお、酸化物２３０ｂのキャリア濃度は、酸化物２３０ａのキャリア濃度より低いことが好ましい。また、金属酸化物２４３のキャリア濃度は、酸化物２３０ａのキャリア濃度より高く、金属酸化物２４５のキャリア濃度は、酸化物２３０ａのキャリア濃度よりも高いことが好ましい。

ここで、導電体２６０は、トランジスタ２００のゲートとして機能し、基板２１０および導電体２４２はドレインとして機能する。また、導電体２４６は、ソースとして機能する。また、絶縁体２５０はゲート絶縁体として機能する。また、酸化物２３０ａの一部、および酸化物２３０ｂの一部はチャネル形成領域となる。つまり、トランジスタ２００は、縦型チャネルのトランジスタである。

図１Ｂに示す半導体装置は、酸化物２３０ｂ、および金属酸化物２４５に開口を有し、開口に絶縁体２５０、および導電体２６０が埋め込まれるように配置されているところが図１Ａに示した半導体装置と異なる。

その他の機能、および効果については、＜半導体装置の構成例１＞の説明を参酌することができる。

＜半導体装置の応用例＞
図２Ａ乃至図２Ｃに示す半導体装置は、図１Ｂに示した半導体装置の応用例である。図２Ａは上面図を示す。また、図２Ｂは、図２Ａに示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図２Ｃは、図２ＡにＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。なお、図２Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

図２Ａ乃至図２Ｃに示す半導体装置は、図１Ｂに示した半導体装置が有するトランジスタ２００を並列に複数配置する構成となっている。図２Ａ乃至図２Ｃに示すように、トランジスタ２００を複数有する半導体装置は、基板２１０上の導電体２４２と、導電体２４２上の金属酸化物２４３と、金属酸化物２４３上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の絶縁体２５０（絶縁体２５０＿１乃至絶縁体２５０＿４）と、絶縁体２５０上の導電体２６０（導電体２６０＿１乃至導電体２６０＿４）と、酸化物２３０ｂ上の金属酸化物２４５と、金属酸化物２４５上の絶縁体２７２と、金属酸化物２４５上、および絶縁体２７２上の導電体２４６と、を有する。また、酸化物２３０ｂおよび金属酸化物２４５は、開口を有し、開口の側部、および底部に接するように絶縁体２５０が配置される。また、導電体２６０は、導電体２６０の底部および導電体２６０の側面と絶縁体２５０とが接するように配置される。また、導電体２６０は、酸化物２３０ｂと重なる領域を有し、導電体２４６は、金属酸化物２４５と接する領域を有し、金属酸化物２４５は、酸化物２３０ｂと接する領域を有する。また、図２Ａおよび図２Ｃに示すように、絶縁体２７２は、開口２４０（開口２４０＿１乃至開口２４０＿４）を有し、開口２４０内に導電体２６０と接する導電体２４８を有する。なお、導電体２４８は、導電体２４６と同じ層に同時に形成することができるので、導電体２４８と導電体２４６は、同じ導電体材料を用いることができる。この場合、導電体２４８としては、導電体２４６に使用できる導電体材料を用いることができる。

図２Ａ乃至図２Ｃに示す半導体装置は、ゲートとして機能する導電体２６０＿１乃至導電体２６０＿４、およびゲート絶縁体として機能する絶縁体２５０＿１乃至絶縁体２５０＿４を有する。従って、本半導体装置は、＜半導体装置の構成例２＞で説明したトランジスタ２００が、４つ並列に配置されている。また、導電体２４８は、絶縁体２７２が有する開口を介して、ゲートとして機能する導電体２６０＿１乃至導電体２６０＿４それぞれと電気的に接続されている。従って、導電体２４８に電位を印加することで、導電体２６０＿１乃至導電体２６０＿４に同電位を同時に印加することができるので、全てのトランジスタをオン状態とすることができる。つまり、４つのトランジスタそれぞれにチャネルの流れる経路が形成されるので、本半導体装置は、大きなオン電流を流すことができる。

なお、本半導体装置は、４つのトランジスタを並列に配置した構成を一例として示したが、並列に配置するトランジスタの数はこれに限定されない。従って、半導体装置が要求される仕様に合わせて、適宜トランジスタの配置数を増減することができる。

＜半導体装置の作製方法＞
次に、図２Ａ乃至図２Ｃに示す、本発明の一態様である半導体装置の作製方法を、図３Ａ乃至図８Ｃを用いて説明する。

各図のＡは上面図を示す。また、各図のＢは、各図のＡに示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図のＣは、各図のＡにＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。なお、各図のＡの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

まず、基板２１０を準備し、当該基板上に導電体２４２を成膜する（図３Ａ乃至図３Ｃ参照）。導電体２４２の成膜は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。

なお、ＣＶＤ法は、例えば、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。

プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。

また、ＡＬＤ法としては、例えば、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ＡＬＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ ＡＬＤ）法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法などを用いることができる。

また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、低温での成膜が可能、などの効果がある。ＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法では、プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。

ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。

ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。

本実施の形態では、導電体２４２として、スパッタリング法によって窒化タンタルまたは、タングステンを成膜する。

次に、導電体２４２上に、金属酸化物２４３を成膜する（図３Ａ乃至図３Ｃ参照）。金属酸化物２４３の成膜は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、金属酸化物２４３として、スパッタリング法によってインジウム錫酸化物を成膜する。

次に、金属酸化物２４３上に、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂを順に成膜する（図３Ａ乃至図３Ｃ参照）。

酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの成膜は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットなどを用いることができる。

また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を、３０％を超えて１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い信頼性が得られる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。また、酸化物２３０ｂのキャリア濃度は、酸化物２３０ａのキャリア濃度より低いことが好ましい。

ここで、本実施の形態では、酸化物２３０ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。また、酸化物２３０ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに求める特性に合わせて形成するとよい。

なお、導電体２４２、金属酸化物２４３、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、大気環境にさらさずに減圧下で連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、導電体２４２、金属酸化物２４３、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、導電体２４２と金属酸化物２４３との界面および界面近傍、金属酸化物２４３と酸化物２３０ａとの界面および界面近傍、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面および界面近傍を清浄に保つことができるので好ましい。連続成膜は、例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。連続成膜することで、半導体装置の作製工程時間の短縮が可能となり好ましい。

次に、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの成膜後には、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ、が多結晶化しない温度範囲で行えばよく、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどに水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

本実施の形態では、加熱処理として、窒素雰囲気にて５５０℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて５５０℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、酸化物２３０ａ中、および酸化物２３０ｂ中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。さらに、当該加熱処理によって、酸化物２３０ｂの結晶性を向上させ、より密度の高い、緻密な構造にすることができる。これにより、酸化物２３０ｂ中における、酸素または不純物の拡散を低減することができる。

次に、酸化物２３０ｂ上に、金属酸化物２４５を成膜する（図４Ａ乃至図４Ｃ参照）。金属酸化物２４５の成膜は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、金属酸化物２４５として、スパッタリング法によってインジウム錫酸化物を成膜する。

次に、リソグラフィー法によって、金属酸化物２４５の一部、および酸化物２３０ｂの一部をエッチングする。なお、酸化物２３０ｂのエッチングは、酸化物２３０ｂの膜厚の５０％から８０％をエッチングすることが好ましい。これによって、金属酸化物２４５、および酸化物２３０ｂに開口を形成する（図５Ａ乃至図５Ｃ参照）。

なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体、または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことで、除去することができる。

さらに、レジストマスクの下に絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、金属酸化物２４５上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。金属酸化物２４５、および酸化物２３０ｂのエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。金属酸化物２４５、および酸化物２３０ｂのエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合はハードマスクを除去する必要は無い。

次に絶縁膜２５０Ａを成膜する（図６Ａ乃至図６Ｃ参照）。絶縁膜２５０Ａの成膜前に加熱処理を行ってもよく、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜してもよい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、金属酸化物２４５の表面、および酸化物２３０ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ中、および酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。

絶縁膜２５０Ａは、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。また、絶縁膜２５０Ａは、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁膜２５０Ａの水素濃度を低減することができる。

なお、絶縁体２５０を２層の積層構造とする場合、絶縁体２５０の下層となる絶縁膜および絶縁体２５０の上層となる絶縁膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、絶縁体２５０の下層となる絶縁膜、および絶縁体２５０の上層となる絶縁膜上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、絶縁体２５０の下層となる絶縁膜と絶縁体２５０の上層となる絶縁膜との界面近傍を清浄に保つことができる。

ここで、絶縁膜２５０Ａを成膜後に、酸素を含む雰囲気下、および減圧下にて、マイクロ波処理を行ってもよい。マイクロ波処理を行うことにより、マイクロ波による電界が絶縁膜２５０Ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａなどに与えられ、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中のＶ_ＯＨをＶ_Ｏと水素とに分断することができる。この時分断された水素の一部は、酸素と結合してＨ_２Ｏとして、絶縁膜２５０Ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａから除去される場合がある。このように、マイクロ波処理を行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素濃度を低減することができる。また、酸化物２３０ａ中、および酸化物２３０ｂ中のＶ_ＯＨをＶ_Ｏと水素とに分断した後に存在しうるＶ_Ｏに酸素が供給されることでＶ_Ｏを修復または補填することができる。

また、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。このような処理を行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素を効率よく除去することができる。または、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行うステップを複数回繰り返して行ってもよい。加熱処理を繰り返し行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素をさらに効率よく除去することができる。なお、加熱処理温度は、３００℃以上５００℃以下とすることが好ましい。

また、マイクロ波処理を行うことにより、絶縁膜２５０Ａの膜質を改質することで、水素、水、不純物等の拡散を抑制することができる。従って、導電体２６０となる導電膜の成膜などの後工程、または熱処理などの後処理により、絶縁体２５０を介して、水素、水、不純物等が、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどへ拡散することを抑制することができる。

次に、導電膜２６０Ａを成膜する（図６Ａ乃至図６Ｃ参照）。導電膜２６０Ａの成膜は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

次に、ＣＭＰ処理によって、絶縁膜２５０Ａ、および導電膜２６０Ａを金属酸化物２４５が露出するまで研磨することによって、絶縁体２５０（絶縁体２５０＿１、絶縁体２５０＿２、絶縁体２５０＿３、および絶縁体２５０＿４）、および導電体２６０（導電体２６０＿１、導電体２６０＿２、導電体２６０＿３、および導電体２６０＿４）を形成する（図７Ａ乃至図７Ｃ参照）。これにより、絶縁体２５０は、開口の内壁（側壁、および底面）を覆うように配置される。また、導電体２６０は、絶縁体２５０を介して、上記開口を埋め込むように配置される。

次に、金属酸化物２４５上、絶縁体２５０上、および導電体２６０上に、絶縁体２７２となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２７２となる絶縁膜は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。

次に、リソグラフィー法によって、絶縁体２７２となる絶縁膜を加工し、絶縁体２７２を形成する。なお、絶縁体２７２は、導電体２６０に達する開口２４０（開口２４０＿１、開口２４０＿２、開口２４０＿３、および開口２４０＿４）を有する（図８Ａ乃至図８Ｃ参照）。また、絶縁体２７２となる絶縁膜の加工には、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。

次に、導電体２４６および導電体２４８となる導電膜を成膜する。導電体２４６および導電体２４８となる導電膜は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。

次に、リソグラフィー法によって、導電体２４６および導電体２４８となる導電膜を加工し導電体２４６、および導電体２４８を形成する（図２Ａ乃至図２Ｃ参照）。導電体２４６および導電体２４８となる導電膜の加工には、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。

図２Ａ、図２Ｂに示すように導電体２４６は、金属酸化物２４５と接する領域を有するように形成され、導電体２４６と金属酸化物２４５とは電気的に接続される。また、図２Ａ、図２Ｃに示すように導電体２４８は、開口２４０を介して、導電体２６０と接する領域を有するように形成され、導電体２４８と導電体２６０とは電気的に接続される。

以上により、図２Ａ乃至図２Ｃに示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態、実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を作製する際に用いることができる装置について、図１０を参照して説明する。

本発明の一態様の半導体装置を作製する際には、異なる膜種が連続成膜可能となる複数の処理室を有する、所謂マルチチャンバー装置を用いることが好ましい。各処理室では、それぞれ、スパッタリング、ＣＶＤ、及びＡＬＤなどの成膜処理を行うことができる。例えば、１つの処理室をスパッタリング室とした場合、当該スパッタリング室には、ガス供給装置、当該ガス供給装置に接続されるガス精製装置、真空ポンプ、ターゲットなどを接続することができる。

また、各処理室では、基板のクリーニング処理、プラズマ処理、逆スパッタリング処理、エッチング処理、アッシング処理、加熱処理などを行ってもよい。各処理室において、適宜異なる処理を行うことで、絶縁体、導電体、および半導体膜を、大気開放を行わずに成膜することができる。

本発明の一態様に用いる半導体膜としては、代表的には酸化物半導体膜が挙げられる。特に、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）酸化物半導体膜は、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。

高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０^６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０^－１３Ａ以下という特性を得ることができる。

なお、酸化物半導体膜中の不純物としては、代表的には水、水素などが挙げられる。また、本明細書等において、酸化物半導体膜中から水および水素を低減または除去することを、脱水化、脱水素化と表す場合がある。また、酸化物半導体膜に酸素を添加することを、加酸素化と表す場合があり、加酸素化され且つ化学量論的組成よりも過剰の酸素を有する状態を過剰酸素状態と表す場合がある。

ここで、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜の下層に位置する絶縁体、または導電体と、酸化物半導体膜の上層に位置する絶縁体、または導電体とを、大気開放を行わずに、異なる膜種を連続成膜することで、不純物（特に、水素、水）の濃度が低減された、実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を成膜することができる。

まず、本発明の一態様の半導体装置を作製する際に用いることができる装置の構成例の詳細について、図１０を用いて説明する。図１０に示す装置を用いることで、半導体膜と、半導体膜の下層に位置する絶縁体、または導電体と、半導体膜の上層に位置する絶縁体、または導電体とを連続成膜することができる。従って、半導体膜中に入り込みうる不純物（特に水素、水）を抑制することができる。

図１０は、枚葉式のマルチチャンバーの装置４０００の上面図を模式的に示している。

装置４０００は、大気側基板供給室４０１０と、大気側基板供給室４０１０から、基板を搬送する大気側基板搬送室４０１２と、基板の搬入を行い、且つ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室４０２０ａと、基板の搬出を行い、且つ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室４０２０ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室４０２９、および搬送室４０３９と、搬送室４０２９と搬送室４０３９とを接続する移送室４０３０ａ、および移送室４０３０ｂと、成膜、または加熱を行う処理室４０２４ａ、処理室４０２４ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅと、を有する。

なお、複数の処理室は、それぞれ、並列して異なる処理を行うことができる。従って、異なる膜種の積層構造を容易に作製することができる。なお、並列処理は、最大で処理室の数だけ行うことができる。例えば、図１０に示す装置４０００は、７つの処理室を有する装置である。従って、１つの装置を用いて（本明細書ではｉｎ－ｓｉｔｕともいう）、７つの成膜処理を、大気開放せずに連続して行うことができる。

一方、積層構造において、大気開放せずに作製できる積層数は、必ずしも処理室の数と同じにはならない。例えば、求める積層構造において、同材料の層を複数有する場合、当該層は１つの処理室で設けることができるため、設置された処理室の数よりも、多い積層数の積層構造を作製することができる。

また、大気側基板供給室４０１０は、基板を収容するカセットポート４０１４と、基板のアライメントを行うアライメントポート４０１６と、を備える。なお、カセットポート４０１４は、複数（例えば、図１０においては、３つ）有する構成としてもよい。

また、大気側基板搬送室４０１２は、ロードロック室４０２０ａおよびアンロードロック室４０２０ｂと接続される。搬送室４０２９は、ロードロック室４０２０ａ、アンロードロック室４０２０ｂ、移送室４０３０ａ、移送室４０３０ｂ、処理室４０２４ａ、および処理室４０２４ｂと接続される。移送室４０３０ａ、および移送室４０３０ｂは、搬送室４０２９、および搬送室４０３９と接続される。また、搬送室４０３９は、移送室４０３０ａ、移送室４０３０ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅと接続される。

なお、各室の接続部にはゲートバルブ４０２８、またはゲートバルブ４０３８が設けられており、大気側基板供給室４０１０と、大気側基板搬送室４０１２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室４０１２は、搬送ロボット４０１８を有する。搬送室４０２９は、搬送ロボット４０２６を有し、搬送室４０３９は、搬送ロボット４０３６を有する。搬送ロボット４０１８、搬送ロボット４０２６、および搬送ロボット４０３６は、複数の可動部と、基板を保持するアームと、を有し、各室へ基板を搬送することができる。

なお、搬送室、処理室、ロードロック室、アンロードロック室および移送室は、上述の数に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な数を設けることができる。

特に、搬送室を複数有する場合、一つの搬送室と、他の搬送室との間には、２以上の移送室を有することが好ましい。例えば、図１０に示すように、搬送室４０２９、および搬送室４０３９を有する場合、搬送室４０２９と搬送室４０３９との間に、移送室４０３０ａおよび移送室４０３０ｂが並列して配置されることが好ましい。

移送室４０３０ａおよび移送室４０３０ｂを並列して配置することで、例えば、搬送ロボット４０２６が移送室４０３０ａに基板を搬入する工程と、搬送ロボット４０３６が移送室４０３０ｂに基板を搬入する工程と、を同時に行うことができる。また、搬送ロボット４０２６が移送室４０３０ｂから基板を搬出する工程と、搬送ロボット４０３６が移送室４０３０ａから基板を搬出する工程と、を同時に行うことができる。つまり、複数の搬送ロボットを同時に駆動することで、生産効率が向上する。

また、図１０では、１室の搬送室が、１つの搬送ロボットを有し、かつ複数の処理室と接続する例を示したが、本構造に限定されない。１室の搬送室につき、複数の搬送ロボットを有していてもよい。

また、搬送室４０２９、および搬送室４０３９の一方、または両方は、バルブを介して真空ポンプと、クライオポンプと、に接続している。従って、搬送室４０２９、および搬送室４０３９は、真空ポンプを用いて、大気圧から低真空または中真空（数１００Ｐａから０．１Ｐａ程度）まで排気した後、バルブを切り替え、クライオポンプを用いて、中真空から高真空または超高真空（０．１Ｐａから１×１０^－７Ｐａ程度）まで排気することができる。

また、例えば、クライオポンプは、１室の搬送室に対し、２台以上並列に接続してもよい。複数のクライオポンプを有することで、１台のクライオポンプがリジェネ中であっても、他のクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、リジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（または原子）を放出する処理とする。クライオポンプは、分子（または原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネを行うとよい。

処理室４０２４ａ、処理室４０２４ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅは、それぞれ、異なる処理を並列して行うことができる。つまり、処理室毎に、設置された基板に対し、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などによる成膜処理、加熱処理、またはプラズマ処理を行うことができる。また、処理室では、加熱処理、またはプラズマ処理を行った後、成膜処理を行ってもよい。

装置４０００は、複数の処理室を有することで、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、処理室毎に、異なる膜種の成膜処理、加熱処理、または、プラズマ処理を行うことができるため、成膜や加熱処理などの順番を自由に構築することができる。

なお、各処理室は、バルブを介して真空ポンプと接続してもよい。真空ポンプとしては、例えば、ドライポンプ、およびメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。

また、各処理室は、プラズマを発生させることができる電源と接続してもよい。当該電源としては、ＤＣ電源、ＡＣ電源、高周波（ＲＦ、マイクロ波など）電源を設ければよい。また、ＤＣ電源にパルス発生装置を接続してもよい。

また、処理室は、ガス供給装置を介して、ガス精製装置と接続してもよい。なお、ガス供給装置およびガス精製装置は、ガス種の数だけ設けるとよい。

例えば、処理室で、スパッタリングによる成膜処理を行う場合、処理室は、ターゲットと、ターゲットに接続されたバッキングプレートと、バッキングプレートを介して、ターゲットと対向して配置されたカソードと、防着板と、基板ステージなどを備えてもよい。また、例えば、基板ステージは、基板を保持する基板保持機構や、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていてもよい。

なお、基板ステージは、成膜時に床面に対して概略垂直状態に保持され、基板受け渡し時には床面に対して概略水平状態に保持される。ここで、基板ステージを床面に対して概略垂直とすることで、成膜時に混入しうるゴミまたはパーティクルが基板に付着する確率を、水平状態に保持するよりも抑制することができる。ただし、基板ステージを床面に対して垂直（９０°）状態に保持すると、基板が落下する可能性があるため、基板ステージの床面に対する角度は、８０°以上９０°未満とすることが好ましい。

なお、基板ステージの構成としては、上記構成に限定されない。例えば、基板ステージを床面に対して概略水平とする構成としてもよい。当該構成の場合、基板ステージよりも下方にターゲットを配置し、ターゲットと、基板ステージとの間に基板を配置すればよい。また、基板ステージは、基板が落下しないような基板を固定する治具、または基板を固定する機構を備えていてもよい。

また、処理室に防着板を備えることで、ターゲットからスパッタリングされる粒子が不要な領域に堆積することを抑制することができる。また、防着板は、累積されたスパッタリング粒子が剥離しないように、加工することが望ましい。例えば、表面粗さを増加させるブラスト処理、または防着板の表面に凹凸を設けてもよい。

バッキングプレートは、ターゲットを保持する機能を有し、カソードは、ターゲットに電圧（例えば、負電圧）を印加する機能を有する。

なお、ターゲットは、導電体、絶縁体、または半導体を用いることができる。例えば、ターゲットが金属酸化物などの酸化物半導体の場合、処理室にて酸化物半導体膜を成膜することができる。また、ターゲットが金属酸化物の場合においても、成膜ガスとして、窒素ガスを用いると酸化窒化物半導体膜を形成することもできる。

また、各処理室は、ガス加熱機構を介してガス供給装置と接続してもよい。ガス加熱機構はガス供給装置を介してガス精製装置と接続される。処理室に導入されるガスは、露点が－８０℃以下、好ましくは－１００℃以下、さらに好ましくは－１２０℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いることができる。また、ガス加熱機構により、処理室に導入されるガスを４０℃以上４００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構、ガス供給装置、およびガス精製装置は、ガス種の数だけ設けるとよい。

また、各処理室は、バルブを介してターボ分子ポンプおよび真空ポンプと接続してもよい。また、各処理室には、クライオトラップを設けてもよい。

なお、クライオトラップは、水などの比較的融点の高い分子（または原子）を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプは大きいサイズの分子（または原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップを用いることができる。クライオトラップの冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップが複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。

なお、処理室の排気方法は、これに限定されず、接続する搬送室に示す排気方法（クライオポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。なお、搬送室の排気方法を処理室と同様の構成（ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法）としてもよい。

特に、酸化物半導体膜を成膜する処理室の排気方法としては、真空ポンプとクライオトラップとを組み合わせる構成としてもよい。酸化物半導体膜を成膜する処理室に設けられる排気方法としては、少なくとも水分子を吸着することができる機能を有すると好ましい。

また、酸化物半導体膜を成膜する処理室は、水素分子の分圧が１×１０^－２Ｐａ以下であり、且つ水分子の分圧が１×１０^－４Ｐａ以下である、と好ましい。また、酸化物半導体膜を成膜する処理室の待機状態における圧力が８．０×１０^－５Ｐａ以下、好ましくは５．０×１０^－５Ｐａ以下、さらに好ましくは１．０×１０^－５Ｐａ以下である。また、上記の水素分子の分圧、および水分子の分圧の数値については、スパッタリングを行う処理室が待機状態のとき、および成膜状態（プラズマが放電状態）のときの双方の数値である。

なお、処理室の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製、四重極形質量分析計（Ｑ－ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ ＣＧＭ－０５１を用いればよい。

処理室の水素分子の分圧、水分子の分圧、および待機状態における圧力を上記の範囲とすることで、形成される、酸化物半導体膜の膜中の不純物の濃度を低くすることができる。

特に、各処理室を、それぞれ、スパッタリングによる成膜処理に用いることで、先の実施の形態で示したトランジスタ２００の構成の一部を、ｉｎ－ｓｉｔｕで連続成膜した積層構造により作製することができる。

トランジスタ２００の作製方法においては、導電体２４２、金属酸化物２４３、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを、装置４０００を用いて連続成膜する。

つまり、導電体２４２、金属酸化物２４３、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを、大気開放を行わず、連続して成膜することができる。

上記構成とすることで、不純物（代表的には、水、水素など）を徹底的に排除した積層膜を形成することが可能となる。また、上記積層膜の各界面は、大気に曝されないため、不純物濃度が低減される。

また、例えば、処理室で、加熱処理を行う場合、処理室は、基板を格納することができる複数の加熱ステージを備えてもよい。なお、加熱ステージは、多段の構成としてもよい。加熱ステージの段数を増やすことで複数の基板を同時に加熱処理できるため、生産性を向上させることができる。

処理室に用いることのできる加熱機構としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。

ロードロック室４０２０ａは、基板受け渡しステージや、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていてもよい。ロードロック室４０２０ａは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロードロック室４０２０ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室４０１２に設けられている搬送ロボット４０１８から基板受け渡しステージが基板を受け取る。その後、ロードロック室４０２０ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室４０２９に設けられている搬送ロボット４０２６が基板受け渡しステージから基板を受け取る。

また、ロードロック室４０２０ａは、バルブを介して真空ポンプ、およびクライオポンプと接続されている。なお、アンロードロック室４０２０ｂは、ロードロック室４０２０ａと同様の構成とすればよい。

大気側基板搬送室４０１２は、搬送ロボット４０１８を有するため、搬送ロボット４０１８により、カセットポート４０１４とロードロック室４０２０ａとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室４０１２、および大気側基板供給室４０１０の上方にＨＥＰＡフィルター（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ）等のゴミまたはパーティクルの混入を抑制するための機構を設けてもよい。また、カセットポート４０１４は、複数の基板を格納することができる。

上記の装置４０００を用いて、絶縁膜、半導体膜、および導電膜を、大気開放を行わず連続成膜することで、半導体膜への不純物の入り込みを好適に抑制できる。

上記より、本発明の一態様の装置を用いることで、半導体膜を有する積層構造を連続成膜により、作製することができる。従って、半導体膜中に取り込まれる水素、水などの不純物を抑制し、且つ欠陥準位密度の低い半導体膜を作製することができる。

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態、実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例、及び該電子部品を具備する電子機器に適用する例について、図１１、図１２を用いて説明する。

図１１Ａでは上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子部品に適用する例について説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。

上記実施の形態１の図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示すようなトランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程（後工程）を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。

後工程については、図１１Ａに示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成（ステップＳ１）した後、基板の裏面を研削する（ステップＳ２）。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図るためである。

基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う（ステップＳ３）。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。

次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う（ステップＳ４）。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。

ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される（ステップＳ５）。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力による内蔵される回路部やワイヤーに対するダメージを低減することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。

次いでリードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する（ステップＳ６）。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。

次いでパッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す（ステップＳ７）。そして最終的な検査工程（ステップＳ８）を経て電子部品が完成する（ステップＳ９）。

以上説明した電子部品は、上述の実施の形態で説明した半導体装置を含む構成とすることができる。そのため、高温環境下における誤動作が低減され、且つ製造コストの抑制が図られた半導体装置を有する電子部品を実現することができる。該電子部品は、高温環境下における誤動作が低減され、且つ製造コストの抑制が図られた半導体装置を含むため、使用環境の制限が緩和され、小型化が図られた電子部品である。

また、完成した電子部品の斜視模式図を図１１Ｂに示す。図１１Ｂでは、電子部品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図１１Ｂに示す電子部品７００は、リード７０１及び半導体装置７０３を有する。図１１Ｂに示す電子部品７００は、例えばプリント基板７０２に実装される。このような電子部品７００が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７０２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７０４）が完成する。完成した実装基板７０４は、電子機器等の内部に設けられる。

次いで図１２Ａ、図１２Ｂを参照して、固定電源の電力で駆動する乗物類（自転車等）等に設けられる、インバータやモーター等を駆動する駆動回路に、上述の電子部品を適用する応用例について説明する。

図１２Ａは、応用例として、電動自転車１０１０を示している。電動自転車１０１０は、モーター部１０１１に電流を流すことによって動力を得るものである。また電動自転車１０１０は、モーター部１０１１に流す電流を供給するためのバッテリー１０１２、及びモーター部を駆動するための駆動回路１０１３、を有する。なお、図１２Ａではペダルを図示したが、なくてもよい。

駆動回路１０１３には、先の実施の形態に示す半導体装置を有する電子部品が設けられた実装基板が搭載されている。そのため使用環境の制限が緩和され、小型化が図られた電子部品を備えた電動自転車が実現される。

図１２Ｂは、別の応用例として、電気自動車１０２０を示している。電気自動車１０２０は、モーター部１０２１に電流を流すことによって動力を得るものである。また電気自動車１０２０は、モーター部１０２１に流す電流を供給するためのバッテリー１０２２、及びモーター部を駆動するための駆動回路１０２３、を有する。

駆動回路１０２３には、先の実施の形態に示す半導体装置を有する電子部品が設けられた実装基板が搭載されている。そのため使用環境の制限が緩和され、小型化が図られた電子部品を備えた電気自動車が実現される。

以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、先の実施の形態に係る半導体装置を有する電子部品が設けられた実装基板が搭載されている。このため、使用環境の制限が緩和され、小型化が図られた電子部品を備えた電子機器が実現される。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態、実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

本実施例では、金属酸化物膜の凝集形態の解析を行った。具体的には、金属酸化物膜を有するサンプルに対して、制限視野電子線回折（ＳＡＥＤ：Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を行った。また、暗視野観察法、および明視野観察法を用いて、当該サンプルの観察を行った。

はじめに、本実施例で用いるサンプルについて説明する。

まず、試料を作製する。図１３Ａに示すように、当該試料は、基板８００と、基板８００上の酸化膜８０１と、酸化膜８０１上の金属酸化物膜８０２と、を有する。基板８００は、シリコンを含む基板である。酸化膜８０１は、基板８００の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理することで形成された、膜厚が１００ｎｍの酸化シリコン膜である。金属酸化物膜８０２は、スパッタリング法により成膜された、膜厚が３μｍのＩＧＺＯ膜である。金属酸化物膜８０２の成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の酸化物ターゲットを用い、成膜ガスとして、アルゴンガス３０ｓｃｃｍおよび酸素ガス１５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．４Ｐａとし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲットと基板との距離を６０ｃｍとした。

次に、上記試料を収束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）を用いて加工し、断面観察用サンプル、および平面観察用サンプルを作製した。

以上が、本実施例で用いるサンプルの説明である。

金属酸化物膜８０２の結晶構造を調べるために、断面観察用サンプルに対して、ＳＡＥＤを行った。なお、ＳＡＥＤには、日立ハイテクノロジーズ製透過電子顕微鏡「Ｈ－９５００」を用いた。また、ＳＡＥＤの測定領域（制限視野領域と呼ぶ場合がある。）の直径は、約３μｍである。

なお、金属酸化物膜８０２は、膜厚が厚いため、ＳＡＥＤを行うことで得られる制限視野回折パターンにおいて、電子線のスポットの強度を高くすることができる。

ＳＡＥＤを行うことで取得した、断面観察用サンプルの制限視野回折パターンを図１３Ｂ、および図１３Ｃに示す。なお、図１３Ｂ、および図１３Ｃに示す制限視野回折パターンの制限視野領域は、それぞれ、図１３Ａに点線の円で示す領域８１０、領域８１１である。つまり、図１３Ｂは、制限視野領域が金属酸化物膜８０２に位置する場合の制限視野回折パターンである。また、図１３Ｃは、制限視野領域が金属酸化物膜８０２、酸化膜８０１、および基板８００に亘る場合の制限視野回折パターンである。

図１３Ｂ、および図１３Ｃに示す制限視野回折パターンにおいて、中心に観察されるスポットは、透過波（０００）のスポットである。また、図１３Ｂに点線で囲む領域に示す、中心より上方に観察されている弓状のスポットは、回折波（００９）のスポットである。図１３Ｂより、金属酸化物膜８０２は、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜であることがわかる。

次に、透過波を抽出して結像する手法である明視野観察法を用いて、断面観察用サンプルの明視野の電子顕微鏡像（明視野像ともいう。）の観察を行った。なお、結像に用いられる透過波は、当該透過波が透過し、かつ、回折波が遮断されるように、対物絞りを配置することで抽出される。明視野像の観察には、日立ハイテクノロジーズ製透過電子顕微鏡「Ｈ－９５００」を用いた。

断面観察用サンプルの明視野像を、図１４に示す。図１４は、金属酸化物膜８０２、および酸化膜８０１の明視野像である。

図１４に示すように、断面観察用サンプルの明視野像において、金属酸化物膜８０２に特異なコントラストがみられた。このコントラストは、異なる結晶配向に起因する情報を含んでいると推測される。そのため、金属酸化物膜８０２中に、大きさが数十ｎｍで配向秩序の異なる領域が存在していることが示唆された。

次に、金属酸化物膜８０２の部分的な配向状態を捉えるために、特定の回折波を抽出して結像する手法である暗視野観察法を用いて、断面観察用サンプルの、暗視野の電子顕微鏡像（暗視野像ともいう。）の観察を行った。なお、結像に用いられる回折波は、当該回折波が透過し、かつ、透過波が遮断されるように、対物絞りを配置することで抽出される。また、回折波は、制限視野回折パターンではスポットとして観察されるため、暗視野像は、制限視野回折パターンで観察される回折波のスポットを対物絞りで抽出した場合の暗視野像ということがある。暗視野像の観察には、日立ハイテクノロジーズ製透過電子顕微鏡「Ｈ－９５００」を用いた。

断面観察用サンプルの制限視野電子線回折パターンを図１５Ａに示す。図１５Ａは、金属酸化物膜８０２表面付近の、断面観察用サンプルの制限視野回折パターンである。

また、断面観察用サンプルの暗視野像を図１５Ｂ乃至図１５Ｄに示す。図１５Ｂ乃至図１５Ｄは、図１５Ａに示す制限視野回折パターンで観察される回折波（００９）のスポットを利用した、金属酸化物膜８０２表面付近の暗視野像である。図１５Ｂは、図１５Ａに点線で示す領域８２０（回折波（００９）のスポットの左側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１５Ｃは、図１５Ａに点線で示す領域８２１（回折波（００９）のスポットの中央およびその周辺）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１５Ｄは、図１５Ａに点線で示す領域８２２（回折波（００９）のスポットの右側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。なお、図１５Ｂ乃至図１５Ｄに示す暗視野像は、金属酸化物膜８０２の最上部である表面付近で結像がなされており、全て同一視野である。

領域８２０を抽出した場合の暗視野像（図１５Ｂ参照。）、および領域８２２を抽出した場合の暗視野像（図１５Ｄ参照。）では、紐状のコントラストが、基板面の法線方向からわずかに傾いて観察された。他方、領域８２１を抽出した場合の暗視野像（図１５Ｃ参照）では、領域８２０を抽出した場合の暗視野像、および領域８２２を抽出した場合の暗視野像と比べて、特異な配向状態をもつ領域は明確には観察されなかった。なお、この断面観察では、ＦＩＢ加工で作製した試料の厚みの情報が奥行き方向の情報として入ってしまうため、ＣＡＡＣ構造の配向秩序が基板面の法線方向にも傾きながら結晶層を形成している可能性がある。

また、断面観察用サンプルの制限視野電子線回折パターンを図１６Ａに示す。図１６Ａは、酸化膜８０１表面付近の、断面観察用サンプルの制限視野回折パターンである。

また、断面観察用サンプルの暗視野像を図１６Ｂ乃至図１６Ｄに示す。図１６Ｂ乃至図１６Ｄは、図１６Ａに示す制限視野回折パターンで観察される回折波（００９）のスポットを利用した、酸化膜８０１付近の暗視野像である。図１６Ｂは、図１６Ａに点線で示す領域８２５（回折波（００９）のスポットの左側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１６Ｃは、図１６Ａに点線で示す領域８２６（回折波（００９）のスポットの中央およびその周辺）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１６Ｄは、図１６Ａに点線で示す領域８２７（回折波（００９）のスポットの右側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。なお、図１６Ｂ乃至図１６Ｄに示す暗視野像は、酸化膜８０１付近で結像がなされており、全て同一視野である。

次に、奥行き方向の情報をできるだけ少なくするために、奥行き方向に限り薄く加工した（薄片化した）断面観察用サンプルを作製し、当該断面観察用サンプルに対して、制限視野回折パターン、および暗視野像の観察を行った。

薄片化した断面観察用サンプルの制限視野回折パターンを図１７Ａに示す。図１７Ａは、金属酸化物膜８０２表面付近の、薄片化した断面観察用サンプルの制限視野回折パターンである。

また、薄片化した断面観察用サンプルの暗視野像を図１７Ｂ乃至図１７Ｄに示す。図１７Ｂ乃至図１７Ｄは、図１７Ａに示す制限視野回折パターンで観察される回折波（００９）のスポットを利用した、金属酸化物膜８０２表面付近の暗視野像である。図１７Ｂは、図１７Ａに点線で示す領域８３０（回折波（００９）のスポットの左側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１７Ｃは、図１７Ａに点線で示す領域８３１（回折波（００９）のスポットの中央およびその周辺）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１７Ｄは、図１７Ａに点線で示す領域８３２（回折波（００９）のスポットの右側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。なお、図１７Ｂ乃至図１７Ｄに示す暗視野像は、金属酸化物膜８０２の最上部である表面付近で結像がなされており、全て同一視野である。

領域８３０を抽出した場合の暗視野像（図１７Ｂ参照。）、および領域８３２を抽出した場合の暗視野像（図１７Ｄ参照。）では、基板面に対し垂直な方向から、わずかに傾いて存在するコントラストの束が観察された。他方、領域８３１を抽出した場合の暗視野像（図１７Ｃ参照。）では、領域８３０を抽出した場合の暗視野像、および領域８３２を抽出した場合の暗視野像と比べて、全体として特異な配向状態をもつ結晶群はほとんど観察されなかった。よって、金属酸化物膜８０２は、基板面に対して垂直方向に、非常に長い配向組織をもった結晶群で構成されると推定される。さらに、領域８３０を抽出した場合の暗視野像と、領域８３２を抽出した場合の暗視野像とでは、異なる配向領域でのコントラストが観察された。したがって、これらのコントラストが、領域８３１を抽出した場合の暗視野像を介して繋がっているとすれば、紐状のコントラストが観察されても、金属酸化物膜８０２における結晶群の連続性は保たれていると推定される。

なお、領域８３１を抽出した場合の暗視野像（図１７Ｃ参照。）においては、あらゆる方向に配向した情報が集約されて結像されていると推測される。これは、断面観察用サンプルの薄片化により、当該断面観察用サンプルの奥行方向に傾斜して配向する結晶群の情報が消失し、当該断面観察用サンプルの奥行方向に近い配向ベクトルを有する結晶群の回折強度が十分に得られないためと推察される。したがって、断面観察用サンプルの奥行方向に近い配向ベクトルを有する結晶群の情報は、回折波（００９）のスポットの中央から外れた領域（領域８３０、および領域８３２）を抽出した場合の暗視野像では、明るく観察されないと推測される。

また、薄片化した断面観察用サンプルの制限視野回折パターンを図１８Ａに示す。図１８Ａは、酸化膜８０１付近の、薄片化した断面観察用サンプルの制限視野回折パターンである。

また、薄片化した断面観察用サンプルの暗視野像を図１８Ｂ乃至図１８Ｄに示す。図１８Ｂ乃至図１８Ｄは、図１８Ａに示す制限視野回折パターンで観察される回折波（００９）のスポットを利用した、酸化膜８０１付近の暗視野像である。図１８Ｂは、図１８Ａに点線で示す領域８３５（回折波（００９）のスポットの左側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１８Ｃは、図１８Ａに点線で示す領域８３６（回折波（００９）のスポットの中央およびその周辺）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１８Ｄは、図１８Ａに点線で示す領域８３７（回折波（００９）のスポットの右側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。なお、図１８Ｂ乃至図１８Ｄに示す暗視野像は、酸化膜８０１付近で結像がなされており、全て同一視野である。

図１８Ｂ乃至図１８Ｄより、幅が１０ｎｍ程度で、基板面の法線方向に伸長した配向領域を示す紐状のコントラストが得られた。さらに、金属酸化物膜８０２は、酸化膜８０１との界面からの距離が１ｎｍ未満の地点から結晶層の成長が始まり、基板面の法線方向に２度から３度程度傾いて配向していることも確認できた。

薄片化した断面観察用サンプルにおける、紐状のコントラストとして観測された長距離秩序を有する結晶層の分布を評価するために、平面観察用サンプルの、回折波（１００）のスポットを対物絞りで抽出した場合の暗視野像の観察を行った。なお、平面観察用サンプルの、制限視野電子線回折パターン、暗視野像、明視野像、および高分解能像の観察には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡「ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆ」を用いた。

平面観察用サンプルの制限視野電子線回折パターンを図１９Ａに示す。図１９Ａは、金属酸化物膜８０２の、平面観察用サンプルの制限視野回折パターンである。

また、平面観察用サンプルの暗視野像を図１９Ｂ乃至図１９Ｄに示す。図１９Ｂ乃至図１９Ｄは、図１９Ａに示す制限視野回折パターンで観察される回折波（１００）のスポットを利用した、金属酸化物膜８０２の暗視野像である。図１９Ｂは、図１９Ａに点線で示す領域８４０（一つの回折波（１００）のスポットの左側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１９Ｃは、図１９Ａに点線で示す領域８４１（一つの回折波（１００）のスポットの中央およびその周辺）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。また、図１９Ｄは、図１９Ａに点線で示す領域８４２（一つの回折波（１００）のスポットの右側）を対物絞りで抽出した場合の暗視野像である。なお、図１９Ｂ乃至図１９Ｄに示す暗視野像は、全て同一視野である。

図１９Ｂ乃至図１９Ｄより、金属酸化物膜８０２において、回折波（１００）のスポットで示される配向秩序が、約１００ｎｍの大きさで分布し、数度傾斜した配向領域とこの垂直配向領域が連結するように暗視野像のコントラストとして観測された。

図２０Ａに、平面観察用サンプルの明視野像を示す。また、図２０Ｂに、平面観察用サンプルの暗視野像を示す。また、図２０Ｃ、および図２０Ｄに、平面観察用サンプルの高分解能像を示す。なお、図２０Ａに示す明視野像の領域と、図２０Ｂに示す暗視野像の領域は、同じである。また、図２０Ｃに示す高分解能像は、図２０Ｂに点線で示す領域に対して取得された像である。また、図２０Ｄに示す高分解能像は、図２０Ｃに点線で示す領域に対して取得された像である。

図２０Ｂ乃至図２０Ｄより、高分解能像では確認できない長距離の配向秩序が、暗視野像から確認することができた。

以上より、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜は、原子レベルよりも大きいナノからバルクの中間の領域（所謂メゾスコピックな領域）においても結晶の配向性が連続的に繋がっていることが分かった。

本実施例に示す構成、方法などは、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

２００ トランジスタ、２１０ 基板、２３０ 酸化物、２３０ａ 酸化物、２３０ｂ 酸化物、２４０ 開口、２４０＿１ 開口、２４０＿２ 開口、２４０＿３ 開口、２４０＿４ 開口、２４２ 導電体、２４３ 金属酸化物、２４５ 金属酸化物、２４６ 導電体、２４８ 導電体、２５０ 絶縁体、２５０＿１ 絶縁体、２５０＿２ 絶縁体、２５０＿３ 絶縁体、２５０＿４ 絶縁体、２５０Ａ 絶縁膜、２６０ 導電体、２６０＿１ 導電体、２６０＿２ 導電体、２６０＿３ 導電体、２６０＿４ 導電体、２６０Ａ 導電膜、２７１ 絶縁体、２７２ 絶縁体、７００ 電子部品、７０１ リード、７０２ プリント基板、７０３ 半導体装置、７０４ 実装基板、８００ 基板、８０１ 酸化膜、８０２ 金属酸化物膜、８１０ 領域、８１１ 領域、８２０ 領域、８２１ 領域、８２２ 領域、８２５ 領域、８２６ 領域、８２７ 領域、８３０ 領域、８３１ 領域、８３２ 領域、８３５ 領域、８３６ 領域、８３７ 領域、８４０ 領域、８４１ 領域、８４２ 領域、１０１０ 電動自転車、１０１１ モーター部、１０１２ バッテリー、１０１３ 駆動回路、１０２０ 電気自動車、１０２１ モーター部、１０２２ バッテリー、１０２３ 駆動回路、４０００ 装置、４０１０ 大気側基板供給室、４０１２ 大気側基板搬送室、４０１４ カセットポート、４０１６ アライメントポート、４０１８ 搬送ロボット、４０２０ａ ロードロック室、４０２０ｂ アンロードロック室、４０２４ａ 処理室、４０２４ｂ 処理室、４０２６ 搬送ロボット、４０２８ ゲートバルブ、４０２９ 搬送室、４０３０ａ 移送室、４０３０ｂ 移送室、４０３４ａ 処理室、４０３４ｂ 処理室、４０３４ｃ 処理室、４０３４ｄ 処理室、４０３４ｅ 処理室、４０３６ 搬送ロボット、４０３８ ゲートバルブ、４０３９ 搬送室

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上の第１の導電体と、
   前記第１の導電体上の第１の金属酸化物と、
   前記第１の金属酸化物上の第１の酸化物と、
   前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
   前記第２の酸化物上の第１の絶縁体と、
   前記第１の絶縁体上の第２の導電体と、
   前記第２の導電体上の第２の絶縁体と、
   前記第２の導電体の側面、前記第１の絶縁体の側面、および前記第２の絶縁体の側面と接する第３の絶縁体と、
   前記第２の酸化物上、前記第２の絶縁体上、および前記第３の絶縁体上の第２の金属酸化物と、
   前記第２の金属酸化物上の第３の導電体と、を有し、
   前記第２の導電体は、前記第２の酸化物と重なる領域を有し、
   前記第３の導電体は、前記第２の金属酸化物と接する領域を有し、
   前記第２の金属酸化物は、前記第２の酸化物と接する領域を有し、
   前記第２の酸化物のキャリア濃度は、前記第１の酸化物のキャリア濃度より低く、
   前記第１の金属酸化物のキャリア濃度は、前記第１の酸化物のキャリア濃度より高く、
   前記第２の金属酸化物のキャリア濃度は、前記第１の酸化物のキャリア濃度より高い、
   半導体装置。
2. 基板と、
   前記基板上の第１の導電体と、
   前記第１の導電体上の第１の金属酸化物と、
   前記第１の金属酸化物上の第１の酸化物と、
   前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
   前記第２の酸化物上の第２の金属酸化物と、
   前記第２の酸化物上の第１の絶縁体と、
   前記第１の絶縁体上の第２の導電体と、
   前記第２の金属酸化物上、前記第１の絶縁体上、および前記第２の導電体上の第２の絶縁体と、
   前記第２の金属酸化物上、および前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、
   前記第２の酸化物、および前記第２の金属酸化物は、開口を有し、
   前記第１の絶縁体は、前記開口の側部、および前記開口の底部に接し、
   前記第２の導電体は、前記第２の酸化物と重なる領域を有し、
   前記第３の導電体は、前記第２の金属酸化物と接する領域を有し、
   前記第２の金属酸化物は、前記第２の酸化物と接する領域を有し、
   前記第２の酸化物のキャリア濃度は、前記第１の酸化物のキャリア濃度より低く、
   前記第１の金属酸化物のキャリア濃度は、前記第１の酸化物のキャリア濃度より高く、
   前記第２の金属酸化物のキャリア濃度は、前記第１の酸化物のキャリア濃度より高い、
   半導体装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記第１の酸化物、および前記第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、半導体装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
   前記第１の金属酸化物、および前記第２の金属酸化物は、Ｓｎ、Ｗ、Ｔｉ、またはＳｉのいずれか一、または複数と、Ｉｎと、を含む、半導体装置。

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